GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIKENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN Nutzung der Strahlungsenergie i sc = 1,367 kW/m 2 1% 5 GW

GRUNDLAGEN der ENERGIETECHNIK

ENERGIEFORMEN und ENERGIEQUELLEN

Nutzung der Strahlungsenergie

isc = 1,367 kW/m2 1%

5 GW




idir direkteStrahlung

idif difuse Strahlung (~30 %)

Globalstrahlung:igl = idir + idif




Karlsruhe: igl = 1100 kWh/m2a Sahara, Kalifornien: 2200-2800kWh/m2a



in Äquatornähe:die höchste Jahressumme





Umwandlung in Wärme mit Sonnenkollektoren (aktive Systeme) Umwandlung in Wärme durch architektonische gestaltete Bauelemente (passive Nutzung)




Direkte Umwandlung in elektrische Energie mit photovoltaischen Solarzellen

Direkte Umwandlung in chemische Energie durch Photolyseeinrichtungen (noch im Forschungsstadium)



Wasserkraft

An der Elektroenergieerzeugung in der Welt hatten Wasserkräfte 2006 einen Anteil von 19 %

Die lagen damit noch über der Kernenergie, die mit 16 % zur Elektroenergieerzeugung beitrug

Als Vorteil der Wasserkraftnutzung ist das bei den meisten Anlagen nutzbare Speicherverhalten zu nennen

Es wurden auch Wasserkraftanlagen errichtet, die bei Bedarf als Pumpspeicherwerk arbeiten können



Wasserkraft

Der Nutzungsgrad des Wasserkraftpotentials ist in den Ländern sehr unterschiedlich

Am höchsten ist er in den industriell entwickelten Ländern

Die größten Reserven liegen in den Entwicklungsländern Asiens, Afrikas und Südamerikas Wasserkraft ist die einzige regenerative Energiequelle, die gegenwärtig eine wesentlichen Anteil an der kommerziellen Energieversorgung der Menschheit hat Ihr Ausbau und ihre Anwendung sind aber auch mit bedeutenden Risiken verbunden



Windenergie



Windenergie

m Masse Kreisfrequenzv Geschwindigkeit

Die Corioliskraft:

horizontale Komponente der Corioliskraft

Druckgradientkraft



Die auftretenden Windgeschwindigkeiten sind zeitlich und räumlich sehr unterschiedlich Hohe Windgeschwindigkeiten mit Jahresmittelwerten von 5 bis 8 m/s in 10 m Höhe treten an Meeresküsten auf Bis ins Innere großer Kontinente fallen sie auf unter 3,6 m/s ab

Die Absolutwerte der Windgeschwindigkeit liegen auf dem Festland zwischen 0 und 40 m/s und auf dem Meer zwischen 0 und 60 m/s

Für die Energieausbeute eines Windenergiekonverters ist die Häufigkeit des Auftretens der verschiedenen Windgeschwindigkeiten von Bedeutung



2

42

( )2

c

cR

ch c e

c

Verteilungsdichte der Windgeschwindigkeiten nach einer RAYLEIGH-Verteilung:

indigkeitWindgeschwmittlerec

indigkeitWindgeschwc



Das gesamte Potential der Windenergie beträgt ein vielfaches des gegenwärtigen Primärenergieverbrauchs

Nutzbar davon ist nur ein geringer Anteil

Standorte für Windkraftanlagen müssen auf dem Festland oder in Küstennähe im flachen Wasser liegen (Offshore‑Aufstellung)

Technische, ökonomische und Standortprobleme führen zu weiteren Einschränkungen

In Deutschland erreichte 2003 der Anteil der Windenergie an der gesamten Stromerzeugung 3,3 %



Biomasse Biomasse wird durch Photosynthese von Pflanzen erzeugt Der Jahresnutzungsgrad ist der jährlich produzierte Heizwert der Biomasse geteilt durch die jährliche Globalstrahlung und erreicht 0,1 bis 1% Der spezielle Anbau von Pflanzen zur Energiegewinnung dient der Erzeugung von Holz, Öl, Zucker oder Stärke Neben der Verwendung von Holz als Brennstoff ist die Gewinnung von Kraftstoffen (Biodiesel, Biogas und Alkohol) von Bedeutung

Wirtschaftlich sind diese Verfahren gegenwärtig meistens nicht

Für Deutschland kann von einem zukünftig, erschließbaren Potential in der Größe von bis zu 2 % des gegenwärtigen Primärenergieverbrauchs ausgegangen werden.



Geothermische Energie Im Inneren der Erde eine Temperatur von ca. 5000 °C herrscht Aus radioaktivem Zerfall (von Uran 238 und Thorium 232 zu Blei) resultiert ein in der Erdkruste nach außen gerichteter Wärmestrom von 25 mW/m2 Insgesamt wird ein mittlerer Erdwärmestrom von 62,5 mW/m2 gemessen

Örtlich treten Werte von 30 bis über 100 mW/m2 auf

Der Wärmetransport erfordert ein Temperaturgefälle von dT/dx = 30 K/km, wenn man im Mittel eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 2,1 W/mK voraussetzt, was etwa der von Granit entspricht

Messungen des Temperaturverlaufs liegen bis in 10000 m Tiefe vor und bestätigen diesen mittleren Temperaturgradienten in den meisten Gebieten der Erde



Geothermische Energie Aus wasserdurchlässigen Gesteinsschichten ist Wärme günstiger abzuleiten, wenn ein Wasserstrom durch das Gestein gedrückt werden kann

die Kontaktflächen sind groß

Verbreitet existieren auch unter Druck stehende Reservoire mit heißem Wasser

Sie ermöglichen hohe Förderraten pro Bohrung ohne zusätzlichen Energieaufwand zur Förderung



Geothermische Energie

Gegenwärtig sind in der Welt ca. 10 GW an elektrischer Leistung installiert

Das älteste geothermale Kraftwerk in Larderello (Oberitalien) liefert seit 1913 Elektroenergie

Zur Wärmenutzung sind in der Welt Anlagen mit ebenfalls ca. 10 GW installiert

Auch in Deutschland ist die direkte Nutzung (Wärmepumpenheizung) schon verbreitet und hat hohe Zuwachsraten (14% pro Jahr)

Im Jahr 2004 0,04 % des Primärenergie-verbrauchs in Deutschland wurde durch Geothermie gedeckt, d.h. 180 MW



Gravitationsenergie



Gravitationsenergie

Allerdings sind die vom Mond ausgeübten Kräfte 2,18 mal so groß wie die von der Sonne hervorgerufenen Addieren sich die durch den Mond und die Sonne hervorgerufenen Kräfte (bei Neumond und Vollmond, d. h. Sonne, Erde und Mond befinden sich auf einer Geraden), ergibt sich die Springflut Wirken die Kräfte gegeneinander Nippflut Die Differenz zwischen Niedrigwasser und Hochwasser wird als Tidenhub bezeichnet Entsprechend der relativen Umlaufzeit des Mondes um die Erde von 24 h 50 min werden gleiche Extremwerte (Niedrigwasser oder Hochwasser) alle 12 h 25 min erreicht



Gravitationsenergie Genutzt werden können in bestimmten Küstenregionen auftretende hohe Tidenhübe von über 5 m Höhe Für die Nutzung sind Buchten günstig, in denen mit vertretbarem Aufwand Stau-mauern errichtet werden können Die größte Anlage, inzwischen stillgelegt, mit einer Leistung von 240 MW wurde 1966 in Frankreich und in der Mündung der Rance in Betrieb genommen


ENERGIEVERBRAUCH und BEDARFSSTRUKTUR

Energieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland



Der Pro-Kopf-Verbrauch an Energie: 6,0 t SKE Dies entspricht fast dem Dreifachen des weltweiten Durchschnitts

Der Energieverbrauch: rund 232 kg SKE pro 1.000 € Bruttoinlandsprodukt

Im weltweiten Durchschnitt ist dieser spezifische Energieverbrauch doppelt so hoch In Deutschland wird die Energie sehr effizient genutzt

Importenergien decken 61 % des Energieverbrauchs

Die Devisenrechnung für die Energieimporte (netto) betrug rd. 34,1 Mrd. €

Statistische Werte, Deutschland 2003



Mineralöl

106+36



Die Nachfrage nach Ottokraftstoffen wird sich bis 2020 um etwa ein Drittel vermindernBestimmungsfaktoren:

- Rückgang des Bestands an benzinbetriebenen PKW- eine kontinuierliche Verringerung des spezifischen Verbrauchs

Der Verbrauch an Dieselkraftstoff steigt in den nächsten Jahren aufgrund eines zunehmenden Bestandes an PKW mit Dieselantrieb, sinkt aber in den Folgejahren und dürfte 2020 unter dem im Jahr 2003 erreichten Niveau liegen

Der Bedarf an leichtem und an schwerem Heizöl dürfte 2020 um etwa ein Fünftel geringer sein als 2003 Demgegenüber wird bei Flugkraftstoff künftig noch mit einer leichten Zunahme der Nachfrage gerechnet



Erdgas

18%

82%

32%

26%

17%

7%



Steinkohle

26

3%

9%

28%

60%

42%Polen SüdafrikaKolumbienAustralien



Braunkohle

159TWh26,6%

J 2020:180TWh30%



Strom

27%

25%

28%

10%

8%

4%

Import:45,8 TWh

Export:53,8 TWh

Brutto:589 TWh

Netzverluste:4%

46%

27%

27%



es wird erwartet, dass der Verbrauch künftig noch wachsen wird, in der Größenordnung von unter einem Prozent pro Jahr

die deutsche Stromwirtschaft steht vor einer umfassenden Modernisierung und Erneuerung ihres Kraftwerkparks

- ab 2010 sind voraussichtlich verstärkt fossil gefeuerte Kraftwerke mit dem Ende ihrer technischen Lebensdauer zu ersetzen

die politisch beschlossene Beendigung der Nutzung der Kernenergie erfordert die Bereitstellung von Ersatzkapazitäten

in der Dekade 2010 bis 2020 sind 30.000 bis 40.000 Megawatt Kraftwerksleistung zu errichten



Erneuebare Energien

EFD2004.pdfS45 von 56

45 TWh8%

EEG65%

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